Spatial Tissue Mapping on Joint Biopsies from Arthritis Patients

• Rheumatoid arthritis (RA) is a chronic inflammatory autoimmune disease that mainly affects joints, causing discomfort and pain that severely reduces the life quality of affected individuals. Its etiology is largely unknown, but some pathophysiological mechanisms have been identified. These include formation of anti-citrullinated protein antibodies (ACPAs) and rheumatic factors (RFs), local proliferation of mesenchymal cells, and recruitment of T- and B cells to the affected synovium. Lymphocyte infiltration results in elevated levels of cytokines such as Tumor Necrosis Factor alpha (TNF-α) and interleukin signaling, which in turn triggers protease activation that gradually degrades the synovium and underlying bone. In many cases RA can be effectively managed by early diagnosis followed by treatment with disease-modifying anti-rheumatic drugs (DMARDs). However, this is not true for all patients and there is currently no cure for RA. Synovial lesions in RA patients exhibit complex histopathological manifestations involving the formation of lymphoid follicles with highly organized Ectopic Lymphoid Structures (ELS). These have been extensively studied using immunostaining and other cytological methods, either by targeting a few specific molecular markers in tissue sections or by examining homogenized suspensions of complex samples, which causes a loss of local and spatial tissue information. This thesis reports the use of Spatial Transcriptomics (ST) to study gene expression in tissue samples from RA patients while preserving spatial information. The method was applied to RA biopsies from early onset and untreated RA to late-stage established disease with edema, providing comprehensive coverage of the spatio-temporal dynamics of the inflamed joints. Paper I introduces sRIN, a novel method of assessing the quality of RNA in tissue sections that is similar to RNA Integrity Number (RIN) analysis for bulk RNA but with single-cell resolution. The aim was to find ways of analyzing clinically rare samples for further processing with ST. Paper II uses ST to study tissue samples from RA joints with long-standing disease, using Spondyloarthritis (SpA) as a disease control. The resulting comprehensive transcriptomic data were used to perform in silico immune cell prediction and revealed how immune cell infiltration in RA differs from that in SpA in more detail than was previously possible using traditional pathological methods. As a follow up, Paper III investigates inflamed RA joints in even greater detail by using several adjacent tissue sections to build a three-dimensional atlas of assumed ELS areas. Finally, Paper IV uses four distinct technologies to study untreated early onset RA patients. Spatial tissue analysis with ST was combined with single cell RNA sequencing (scRNA-Seq) of fluorescence-activated cell sorted (FACS) B cells. These two methods were complemented with immunohistochemistry (IHC) for validation and sRIN to assess the quality of the clinical samples. B cells are known to play a key role in RA by producing self-reactive antibodies. This work showed that B cell maturation and ELS formation are detectable even in early onset RA, and revealed mechanisms supporting survival niches in hyperplastic joints. Overall, these studies shed new light on the complex nature of Rheumatoid arthritis, characterize the site of infection with greater granularity than was previously possible, and reveal novel disease patterns with clinical implications that warrant further study.

• Reumatoid artrit (RA) är en kronisk inflammatorisk autoimmun sjukdom som främst drabbar leder och orsakar obehag såsom smärta, varpå livskvaliteten hos den drabbade individen avsevärt försämras. Etiologin bakom RA är mestadels okänd trots att några patofysiologiska mekanismer såsom bildandet av anti-citrullinated protein antibodies (ACPAs), Rheumatic factors (RFs), lokal prolifiering av mesenchymala celler och rekrytering av T- och B-celler till de drabbade lederna har identifierats. Lymphocytinfiltration resulterar i kronisk sjukdom med förhöjda nivåer av cytokiner (såsom Tumor necrosis factor alpha; TNF-α) och interleukinsignalering vilket triggar proteasaktivering som gradvis bryter ned synovium och det underliggande skelettet. I många fall kan RA effektivt behandlas med hjälp av de nyare disease-modifying anti-rheumatic drugs (DMARDs) och tidigare diagnos av patienten. Detta fungerar dock inte för alla patienter och en bot for RA existerar ännu inte. Synoviala skador i RA visar på komplexa histopatologiska manifestationer vilka inkluderar bildandet av lymfoida folliklar men även Ectopic Lymphoid Structures (ELS) vilka har blivit noggrant studerade med immuninfärgning och andra cytologiska metoder. Dessa metoder saknar antingen omfattande detektion av målmolekyler eller saknar information om den spatiala kontexten av dessa målmolekyler. I denna avhandling har vi tillämpat Spatial Transcriptomics (ST), en metod som tillåter genexpressionstudier med bevarad spatial information. Denna metod används på RA biopsier från tidigt obehandlad RA till långtgående etablerad sjukdom med ödem. Med andra ord täcker avhandlingen hela den spatio-temporala dynamiken i inflammerade leder. Arikel I beskriver en ny metod för att bestämma kvaliteten av RNA likt RNA Integrity Number (RIN) i bulk, men med singelcellupplösning på vävnadssnitt. Målet är att studera kliniskt sällsynta prover för vidare bearbetning med ST. Artikel II undersöker långtgående inflammerade RA-leder med Spondyloartrit (SpA) som sjukdomskontroll med hjälp av ST. Här utförde vi immuncellprediktion in silico från det omfattande transkriptomdata vi tillhandahöll och kunde se skillnaderna i infiltrat i RA jämfört med SpA med större detaljrikedom än vad traditionell patologi tidigare gjort. Som en uppföljning undersöker Artikel III RA-vävnader med ännu större detaljrikedom genom användandet av exakt intilliggande vävnadssnitt från RA-patienter för att bygga en tredimensionell atlas över presumtiva ELS i inflammerade vävnader. Slutligen använder Artikel IV fyra olika teknologier för att studera tidig obehandlad RA. Vi använde ST för vävnadsanalys i kombination med singelcell RNA-sekvensering (scRNA-Seq) från Fluorescence-activated cell sorted (FACS) B-celler. Dessa två metoder kompletterades med immunohistochemistry (IHC) för validering och sRIN så vi kunde bestämma kvaliteten på de kliniska proverna. Här fann vi bevis för B-cellsmognad och ELS-bildande redan i tidig RA och mekanismer som kan vara kopplade till så kallad ”survival niche”. Dessa studier syftar till att täcka det komplexa RA och karaktärisera sjukdomen med högre upplösning än tidigare och även föreslå nya sjukdomsmönster som kan komma att bli värdefulla i studier med klinisk innebörd.  

Ämnesord

MEDICIN OCH HÄLSOVETENSKAP  -- Medicinsk bioteknologi (hsv//swe)

MEDICAL AND HEALTH SCIENCES  -- Medical Biotechnology (hsv//eng)

Nyckelord

Immune prediction

Rheumatoid arthritis

Spatial RIN

Spatial Transcriptomics

Spondyloarthritis

Bioteknologi

Biotechnology

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)